高精度跟踪指向技术研究现状及其展望.pdf

2023Dec.JOURNALOFMACHINEDESIGN2023年12 月No.12Vol.40第40 卷第12 期机计设械高精度跟踪指向技术研究现状及其展望*杜永刚，王禺林，张文台，王雪松（兰州空间技术物理研究所，甘肃兰州730010)摘要：高精度跟踪指向技术将会长期伴随现代工业的发展过程，也是许多现代工业领域内的关键技术，其必将受到广大学者的重视和研究。为了追踪该技术的最新发展状态和趋势，文中查阅了大量的技术文献和资料，在深刻理解该技术内涵的基础上，根据指向机构的不同工作机制，对现有的高精度指向技术进行了分类，认为现有的高精度指向技术可分为机械式和非机械式两类，详细叙述了这两类跟踪指向技术的研究现状，也对该技术将来的发展方向和趋势进行了分析。文中的内容可作为该领域内研究人员的参考，也期望为该技术的发展起到积极的推动作用。关键词：高精度；跟踪指向；机构；研究现状；展望中图分类号：TH132文献标识码：A文章编号：10 0 1-2 3 5 4(2 0 2 3)12-0 0 0 1-0 8Current research and prospect of high-precision trackingand pointing technologyDU Yonggang,WANG Yulin,ZHANG Wentai,WANG Xuesong(Lanzhou Institute of physics,Lanzhou 730010)Abstract:The high-precision tracking and pointing technology will be accompanied by the development of the modern industryfor a long time,and it,playing a key part in many modern industrial fields,will be valued and chased by scholars.In this article,efforts are made to keep track of the latest development of the high-precision tracking and pointing technology and predict its future,based on a large number of technical documents and materials.With a deep understanding of its technical abundance,the high-pre-cision tracking and pointing technology is classified into the mechanical technology and the non-mechanical technology,according todifferent working mechanisms of the targeted systems.The analysis is conducted on both the mechanical technology and the non-me-chanical technology,including their current development,trend and application in the future,and so on.This study provides refer-ence for researchers in this field,and is also expected to play a positive role in promoting the development of this technology.Key words:high-precision;tracking and pointing;mechanism;current research;prospect高精度跟踪指向技术被广泛应用在航空、航天、通信和监测等领域，指向误差是这些领域面对的一个巨大挑战。当代的航空、航天工业及武器装备领域要求发展更高精度的跟踪指向技术，如美国的詹姆斯韦伯望远镜要求指向精度达到0.0 0 4 1，论证中的大型紫外-可见光-红外综合天文望远镜2 要求指向精度不低于0.00034。战术激光武器的光电跟瞄系统的精度达到几个角秒量级，在战略激光武器3 中要求激光跟瞄系统达到亚微弧度精度，高精度跟踪指向技术也是航母舰载*收稿日期：2 0 2 1-10-10；修订日期：2 0 2 3-0 6-2 0机着舰引导光电设备的关键技术之一4。现代军事无人机上也采用了激光通信技术，要求该激光跟踪指向稳定平台的位置解析度不低于0.0 0 6 45 O在民用领域内，高精度指向技术也得到了广泛应用，是全球海洋监测系统及车、船通信天线系统的核心技术6-7 ,近年来，高精度跟踪指向技术也开始应用在高压电网、桥梁钢索缺陷侦测和多余物清理等高空作业平台上8 。我国“墨子”号量子卫星采用跟踪指向系统进行纠缠光子对收发，其指向稳定系统的精度达机第40 卷第12 期计设械到了2 rad9,所以,近几年国内外学者开始重视更高精度的跟踪指向技术的研究。根据指向机构的工作机理，可以分为基于机械类和非机械类的跟踪指向技术。机械类的跟踪指向技术是基于宏观机构传动的技术；非机械类的跟踪指向技术是基于微光电技术、计算机图形识别技术，以及其他非机械传动技术，文中对这两类高精度跟踪指向技术的最新研究现状进行了详细的叙述。1高精度跟踪指向技术的研究现状1.1机械类的跟踪指向技术到目前为止，机械类的高精度跟踪指向技术的应用最为广泛，因为这类跟踪指向机构可以兼顾大工作空间和高精度的性能。机械类的指向技术根据其机械传动的方式又分为串联机构、并联机构及其他类型的机构。串联跟踪指向机构是串联14个框架，每个框架之间的转动轴正交,形成方位角和俯仰角的调整，每个轴采用电机作为驱动元件，这种指向机构是目前最成熟的技术。串联机构的载荷会在轴系放大，导致整个系统刚度低、响应慢，但是其可以提供大工作角空间10-12】,如果串联机构采用压电陶瓷复合控制技术，其传动精度也可以达到rad的精度。从2 0 世纪9 0 年代起，这种串联指向机构就已经被应用在卫星上，早期只研发出了单轴指向系统，随后，各国又研发出了两轴串联跟踪指向系统。随着机械及控制技术的发展，现代串联跟踪指向机构的精度也得到了显著提高，如加拿大L3-wescam公司研制的MX系统，该系统采用了一种五轴高精度指向机构，其指向精度达到了3 rad。由文献13 可以看出,高精度的单自由度关节是串联高精度指向机构的核心，美国早在2 0 10 年就研制出了指向机构的谐波减速器关节。和国外相比，国内开展高精度跟踪指向技术研究的时间较晚，但中国近期研发出的两轴四框串联光电指向平台的精度也达到了微弧度的水平14。在2 0 2 0 年，赵颖等15 研究了一种卫星天线展开双轴指向机构，这种机构是用电机的外壳作为旋转轴，也就是说这种指向机构只是电机驱动的一个单自由度关节，其外观如图1所示,其单轴精度可以达到0.0 0 8 指向机构反射天线图1某卫星天线指向机构的关节近期,杨鹏等16 正在开发一种串联高精度二维指向光电跟踪平台，其被应用在空间目标搜索和目标跟踪系统中，承受的光学载荷质量约为10 0 kg，指向精度高于0.0 14，指向角速度高于1（）/s，其外形如图2所示。光学载荷跟踪相机二维指向机构图2高精度二维指向跟踪平台串联高精度跟踪指向机构的关节除了采用电磁式电机外，也有学者研究了超声波电机关节。上海海洋大学报道称其在某高精度跟踪指向机构的轻量化的研究中采用了超声波电机17 ，图3 是这种超声波电机关节的方案，该方案采用了南京航空航天大学精密驱动研究所研制的RUM-60型旋转行波超声电机，这种技术方案使整个机构的质量减小至2.3 5 kg，机构的扫描方位角为0 2 0，指向精度为2 光电编码器轴承超声波电机传动轴后端盖端盖机壳轴套连接图3扫描驱动机构总体结构方案2023年12 月杜永刚，等：高精度跟踪指向技术研究现状及其展望目前，基于串联机构的高精度跟踪指向技术已经非常成熟，虽然大部分学者把研究重点放在了高精度关节上，但依然有新型的串联指向机构被开发出来。在2 0 2 0 年，长春光学精密机械与物理研究所报道了一种串联球面机构18 ，拟应用在光电平台上，该机构为一种串联球面机构的概念如图4所示，这种串联球面机构采用了一种斜交关节，通过3 个转动副连接光电平台基座与负载。由于该机构采用了转动关节相互斜交的紧凑结构，故可实现光电平台负载横滚、俯仰方位的运动，文献报道其指向精度的仿真结果达到了17 rad。ZZ,O(O0,1,2.3X,(Y,Y.)杆1杆2C执行器图4一种串联球面机构概念Lu等19 尝试研究了一种采用钢索传动的跟踪指向机构，如图5 所示，这种机构采用了万向节的运动副，即两个正交轴的框架结构，但是电机驱动采用了高精度的航空钢索，钢索按照“8”字形式缠绕在传动轮上，该机构只能实现两个轴6 0 的转动，虽然这种机构的指向精度只能达到0.12，但具备了钢索传动机构的大视角和小体积的优点图5钢索传动的跟踪指向稳定平台韩宇星2 0 研究了一种杠杆臂式指向机构,该机构为杠杆臂式激光通信指向机构如图6 所示，这种指向机构是用步进电机驱动谐波减速器，谐波减速器再直接驱动一个凸轮，凸轮驱动反射镜架，反射镜架的旋转轴是一个十字万向节。这种机构的调整角度范围只有1,但报道称其精度可以达到1.5 urad,该技术能达到高精度的关键是其驱动电机采用了高分辨率的步进电机和谐波减速器图6杠杆臂式激光通信指向机构为了进一步提高串联指向机构的精度，当前的研究者在串联跟踪指向机构的基础上研发出了一种复合轴指向技术，就是用串联机构实现大范围视角调整，然后，再利用压电陶瓷作动器进行微位移的精细调整。在2 0 2 0 年,吴云等2 1 研究了一种二维指向的复合轴指向技术，称其精度达到了几个rad的量级。虽然复合轴指向技术提高了串联系统的精度，但同时也带来了技术的复杂性和不稳定性，而基于并联机构的跟踪指向系统可以承载更大的载荷和实现更高精度的指向性能,因此,近几年的学者们开始研究基于并联机构的高精度跟踪指向技术。国外早于国内开展了这方面的研究，早在2 0 0 3 年，Chen等2 2 基于Gough-Stewart机构研制出了一种并联跟踪指向稳定平台，其外形如图7 所示，该平台具有隔振和精密指向的双重功能。在2 0 14年，美国的Du等2 3 提出了一种基于6-SPS高精度指向机构，其分辨率达到亚微弧度量级，重复测量率达到微弧度量级图7美国海军研究生院的精密指向平台第40 卷第12 期计机设械在2 0 17 年,Li等2 4 开发了一种2 自由度的天线跟踪指向机构，被命名为Canterbury跟踪器，这种指向机构图如图8 所示，其由两个主动杆和一个被动杆构成，由于运动杆都带有球铰链，主动杆的驱动依然是轴旋转的方式，报道称该研究仍处于探索阶段。BB图8Canterbury天线跟踪指向机构近期，国内才有这种基于并联机构的高精度跟踪指向技术报道。2 0 2 0 年，陆强2 5 研究了静止轨道面阵相机的标定技术，这种技术用于小卫星热成像仪的“凝视”成像系统，该系统采用了二维并联指向机构，但研究人员没有报道其性能参数。我国首颗太阳专用观测卫星的X射线成像仪是对太阳耀斑源区进行成像和光变观测的重要载荷，成像仪采用了一种并联指向机构，要求指向镜中心位置的测量精度要高于2 2 6 O在2 0 2 0 年，上海技术物理研究所也报道了某静止卫星成像辐射计的研究情况，该辐射计采用了美国PI公司的高精度6 自由度的Steward并联机构作为指向机构2 7 。图9 是该指向机构的外形，其绕X轴的转动范围为5,绕Y轴的转动范围为10，但未报道指向精度的参数。图成像辐射计采用的指向机构近期,徐广德等2 8 研究了一种基于Steward并联机构的高精度跟踪指向稳定平台，机构的6 个支腿采用了主被动单元，解决了指向控制和振动抑制相互制约的矛盾，其质量为2 0 0 0 kg，转动惯量为3 0 0 0kgm，仿真结果表明，该系统在低频振动段的指向精度优于3.5 。国内的高等院校也开展了基于并联机构的跟踪指向技术研究，谢克峰等2 9 研究了一种水面易携带和易投放的小尺度水上浮标指向系统，这是一种2 自由度的并联稳定指向系统，但该系统只需要0.2 的指向精度，指向机构采用了一种2-HUS/U并联机构，图10 是这种并联机构的原理图。BBO图10水上浮标的稳定指向系统原理图李仕华等3 0 深入研究了球面并联指向机构，并在2020年报道了一种球面5 R并联指向机构，其原理如图11所示，这种研究成果可以应用于小载荷的指向，由于该机构是微动机构，所以其工作铰链是一种弹性铰链，机构的工作俯仰角为0.12，方位角为0.16，指向精度可以达到10-4的量级，但是其质量不超过500g.31X2ACRasRXA2图11一种球面5 R并联指向机构指向机构还可以采用压电陶瓷作动器实现高速响应，也能承载大质量光学镜体。由于压电陶瓷作动器的位移非常小，所以这种指向机构可以实现更高的解析度，但是这种指向机构也只能实现非常微小的角转动3 2-4。Yagiz3提出了一种基于压电陶瓷作动器的并联指向机构的概念，这种并联结构是经典的Steward机构，其6 个杆是压电陶瓷作动器，铰副则采用弹性2023年12 月杜永刚，等：高精度跟踪指向技术研究现状及其展望铰链，基于压电陶瓷致动器的并联指向稳定机构如图12 所示。仿真结果表明，该机构在微小的工作空间下的三轴指向精度可分别达到3 2 1.1，449.2 和2007.9rad。倪迎雪等3 6 和张兴亮等3 7 研究了一种压电陶瓷驱动的高精度指向机构，文献中称这种指向机构的指向精度达到了3 rad,其X轴工作角度为0.35,Y轴工作角度为0.2 5。由此可见，这种采用压电陶瓷作动器的指向机构在具有超高精度的同时，也存在工作空间狭小的缺点。杜永刚等3 8 研究了一种单级控制下的高精度指向系统，该指向系统采用了一种2 轴RPS-SPS并联机构，该指向系统的外观如图13所示，其2 轴的工作角度均为9，其复合指向误差不大于0.0 0 6 图12基于压电陶瓷致动器的并联指向稳定机构图13单级控制下的高精度指向系统当指向精度达到微弧度的量级后，机构运行或环境的微振动对精度的影响就不可忽视，所以结合微振动抑制技术的指向机构就成为了发展热点近期，王晓明3 9 研究了微振动对指向精度的影响，研究者认为空间的微振动环境会严重影响航天器的指向精度。李林等40 研究了空间微振动对光学指向系统的影响，研究结果表明：对于高性能的航天器，微振动环境会严重影响卫星的指向精度和姿态稳定度，研究人员通过剖析微振动对哈勃望远镜指向控制的影响，认为通过抑制微振动环境可以有效提升指向精度。在2 0 2 1年，刘宽耀等41 报道了在某机载天线的指向机构上安装三轴等刚度隔振器，有效提高了天线的指向精度。1.2非机械式的跟踪指向技术除了基于机械式的跟踪指向技术，目前，还研发出了一类基于微光电系统的跟踪指向技术，其主要组成是一种变形镜，该变形镜又由许多个微小的镜体组成，每个微小镜体都是独立的单元，可以独立平行调整自已的位置，从而改变了入射光的反射角度42 ，这些变形镜集成了硅基电子学、微机械学及微光学技术，是一个微光电系统。这种跟踪指向技术主要应用在光学通信系统中，镜体的振动会对光束的链接稳定性造成影响，所以，这类跟踪指向系统还需结合振动抑制技术，其振动抑制一般是采用一种空间6 自由度的稳定系统43 此外，还有一种基于液晶的光学跟踪指向技术44,通过许多个单一方向的电极阵列控制光线的相位或振幅，调整光线在液晶中的反射率，也就细微调整光线的反射方向，这种跟踪指向装置也被称为液晶极化格栅装置，是非机械式跟踪指向技术的重要研究方向。中国科学院是国内这种光学跟踪指向技术的主要研究单位,此外，国内的一些高校也开展了该技术的研究。在2 0 19 年，李松振45 研究了一种基于液晶偏转光栅的大角度光束偏转系统，研究中采用了马赫-曾德干涉仪式液晶偏振光栅光路，其偏转角度达到了连续20，偏转精度达到了3 0 rad的二维光束偏转的性能。在2 0 2 0 年,胡婕等46 研究了一种二维光束偏转的液晶相控阵的模型，该技术是基于微波相控阵的液晶技术，从而实现了二维方向的光束偏转控制，在两轴的偏转角为2.1mrad范围内，X方向的精度优于14rad,Y方向的精度优于12 rad。2 0 2 1年，王承渺47 研究了一种基于液晶相控阵的高精度光学指向技术，文献中提到的径向子孔径相干法可以大幅度减小指向6机设第40 卷第12 期计械误差，样机的指向精度达到了16 rad。吴亮48 研制了液晶光学相控阵器件。刘晓鹏4研究了一种4个液晶片的级联光束控制技术，其控制光束的偏转角（离散）达到了11.2 5。董亭亭等5 0 1研究了一种基于液晶光学相控阵的非机械式光束扫描技术，其光束的有效偏转角度为2.4，探测距离达到了1.3 km。国外已经有成熟的液晶相控阵器件，这说明技术已经成熟，国外的技术领先于国内的发展水平，其代表有美国的VecsentPhotonics公司和卡罗莱纳州立大学。VecsentPhotonics公司的液晶相控阵器件产品可以达到一维8 0，具有优秀的体积和功耗5 1。Jihan等5 2 研发了粗、精偏转模块结合的液晶光学相控阵系统，该系统的两维偏转角达到了40，但文献中没有给出指向精度的指标。在2 0 2 0 年，Jianan等5 3 研究了一种基于计算机视觉系统的非机械跟踪指向技术，该技术应用在自由空间光学通信系统中。这种系统的发射端是一个由微电机系统驱动的万向节，机构上集成了一个相机，而接受端是一个界标，采用计算机图形识别技术对发射端和接受端之间的距离和方向进行预估判断，并调整机构进行捕获，该指向系统的X轴的调整范围为5,Y轴的调整范围为2，捕获时间短于15 0 ms，目前只具有最大距离为12 m的捕获和跟踪的能力，计算机图形识别的指向技术如图14所示。MEMSmirror1550nminfrareWebcamOpticakreceiver图14计算机图形识别的指向技术根据文献中的数据，文中对近2 0 年内不同类型的高精度跟踪指向技术的发展水平及其趋势进行了统计,结果如图15 所示。图中的时间轴和精度轴交割形成4个象限，根据不同类型的符号在图中出现的位置，可以看出不同跟踪指向技术大面积出现的时间段和达到的水平及其趋势精度）口串联0.160并联口复合轴2非机械0.12口又其他时间20002020口0.040口口口口0.00IV图15高精度跟踪指向技术的发展统计从图15 中可以看出：机械式跟踪指向技术的发展最为深远，其应用也最为广泛，约从2 0 12 年起，研究者们开始加快高精度跟踪指向技术的研究，大量的研究成果被发表出来，这种技术的类型也开始出现了多样化，整体出现的位置趋向第IV象限的下部，因此，指向精度也趋向更高。2展望综上所述，文中也对高精度跟踪指向技术的发展进行了展望，具体内容如下：（1）超高精度的跟踪指向技术是将来发展的主要方向。随着卫星对地超高分辨率成像、卫星量子通信，以及高精度光电跟踪技术的发展，未来需要发展出大扫描角度下的超高精度的跟踪指向技术。（2）机械式高精度跟踪指向技术依然是目前的主流技术，高精度的并联指向机构及其传动算法是将来研究的热点。由于串联机构的工作空间大，所以目前依然无法完全被并联机构取代，高精度谐波减速器是串联指向机构的研究热点。非机械式高精度跟踪指向技术是光通信领域内的重要研究内容，基于液晶的光学跟踪指向技术是研究热点（3）目前的指向稳定平台仍然通过复合轴的双平台技术提高指向精度，这种技术的复杂性阻碍了其应用范围,因此，在单平台上如何实现高精度指向技术也是将来的研究方向。（4)结合振动抑制的高精度跟踪指向技术是将来发展的趋势，振动抑制是提高指向精度的关键技术之一。（5)高精度跟踪指向技术是综合了机构传动、控制算法及电路、精密测量、振动抑制、光学、电机及伺服杜永刚，等向技术研究现状及其展望安正正2023年12 月控制等技术的学科，其复杂程度高、技术难度大，从近期发表的文献可以看出，其技术精细分化将成为发展趋势，但同时也要求了更高的系统整合能力。3结论（1)跟踪指向技术经历了几十年的发展，仍然保持了蓬勃发展的势头，在这种背景下，研究人员查阅了大量的技术文献，对该技术的前沿情况进行了归纳、分类及总结，并在文中详细阐述了这些成果，旨在帮助相关研究者及时掌握该技术的最新发展态势。(2)迄今为止，高精度跟踪指向技术的研究已经取得了重大的进展，然而，如何进一步提升指向系统的精度依然是将来面临的挑战，文中对这些方面的最新研究成果进行了综述，并总结出了提升指向精度的可行途径和方向，为将来深人研究提供了参考。参考文献1 TTe Plate M,O Sullivan B,Ferruit P,et al.The Europeanoptical contribution to the james webb space telescope J.Advanced Optical Technologies,2018,7(6):353-364.2Larry D D,Kiarash T,Raymond M B,et al.Dynamic sta-bility with the disturbance-free payload architecture as ap-plied to the Large UV/Optical/Infrared(LUVOIR)mission C/Proceeding of SPIE,UV/Optical/IR Space Telescopesand Instruments:Innovative Technologies and Concepts VIl,SPIE Press,2017:1-11.3杨修林，陆培国，刘小强，等。舰载激光武器复合轴跟踪控制系统仿真分析J激光与红外，2 0 15，45（8）：943-947.4葛兵，高慧斌,余毅光电着舰引导系统的视轴稳定J.光学精密工程,2 0 14,2 2(6)：15 7 7-15 8 3.5Alberto Carrasco-Casado,Ricardo Verga,Jose M Sanchez-Pena,et al.Low-impact air-to-ground free-space opticalcommunication 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